新疆某水庫除險加固綜合處理技術(shù)的應(yīng)用探究

焦學(xué)榮

（新疆沙灣縣水利局烏蘭烏蘇水管所，新疆 沙灣 832021）

1 工程介紹

新疆某水庫始建于1973 年，是一座以灌溉、防洪為主的小型水庫，大壩為碾壓式均質(zhì)水壩，灌溉面積達(dá)541.7 hm2，由于當(dāng)時施工技術(shù)有限，實際建成的水壩總庫容為70×104m3，遠(yuǎn)小于設(shè)計庫容（105×104m3），經(jīng)過40 多年的運(yùn)行消耗，水壩的壩基滲漏嚴(yán)重，為了保證水庫的安全運(yùn)行，近十幾年水壩每年的蓄水量均小于55×104m3。對水壩進(jìn)行地質(zhì)勘測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水庫蓄水量接近55×104m3時，大壩距后壩坡坡腳5 m 處壩址出現(xiàn)嚴(yán)重冒水翻砂現(xiàn)象。水庫在2009 年進(jìn)行過一次除險加固，加固后水壩水位可達(dá)到962.54 m，水庫的庫容最高可達(dá)80×104m3。

對水壩進(jìn)行地質(zhì)勘測發(fā)現(xiàn)，壩體主要由含礫粉土組成，水壩建筑壩體土質(zhì)較松散，總體建筑質(zhì)量較差。壩基的主要成分由第四紀(jì)松散礫石和凝灰質(zhì)砂巖組成。礫石層的主要顆粒成分組成為：＜0.075 mm 粒徑占3.9%，0.25 mm～0.075 mm 粒徑占5.1%，0.5 mm～0.25 mm 粒徑占1.7%，2 mm～0.5 mm 粒徑占6.7%，10 mm～2 mm 粒徑占20%，20 mm～10 mm 粒徑占19%，40 mm～20 mm 粒徑占23.9%，60 mm～40 mm 粒徑占11.1%，＞60 mm 占8.5%，經(jīng)勘測礫石層的總厚度為9 m，滲透系數(shù)為1.8×10-2cm/s。水壩下部基巖強(qiáng)風(fēng)化帶土質(zhì)的滲透系數(shù)為3.2×10-2cm/s。

2 施工方案選擇

該水壩是一座以灌溉、防洪為主的小型水庫，除險加固的目的主要是增加水庫庫容，降低壩基的滲漏，延長水壩的使用壽命和服務(wù)安全性。針對此工程特點(diǎn)，主要進(jìn)行水壩的防滲施工處理[1]。

傳統(tǒng)水庫除險加固主要采用混凝土防滲墻的施工工藝，這種施工工藝存在以下缺點(diǎn)：一是施工難度較高，工程量較大，施工成本較高；二是彈性模量值較高導(dǎo)致墻體的應(yīng)力較高，混凝土防滲墻的服務(wù)壽命較短，建成的水壩強(qiáng)度和抗?jié)B性較差，另外墻體施工厚度較大，工期較長，相對增加了施工成本；三是對原水壩的壩體擾動較大，對壩基會產(chǎn)生不利影響。

采用高壓噴射灌漿（壩基沙礫石層垂直防滲）和帷幕灌漿（壩基強(qiáng)分化層垂直防滲）綜合處理技術(shù)有明顯優(yōu)勢，此施工方式對原水壩擾動較小，施工方式較簡便，成墻效率較高，施工成本較少，經(jīng)高壓噴射灌漿和帷幕灌漿綜合處理技術(shù)進(jìn)行水壩的除險加固施工后水壩的彈性模量較小，墻體的應(yīng)力值也較小，水壩強(qiáng)度和抗?jié)B性較高，符合本工程施工要求[2]。結(jié)合本工程特點(diǎn)，決定采用高壓噴射灌漿和帷幕灌漿綜合處理技術(shù)進(jìn)行除險加固施工。

3 灌漿施工設(shè)計

高壓噴射灌漿技術(shù)在進(jìn)行施工時利用鉆機(jī)鉆孔到工程設(shè)計深度，利用高壓泥漿泵將帶有噴嘴的注漿管道插入需要加固位置進(jìn)行高壓射流沖擊相應(yīng)土體。在沖擊力、離心力、重力共同作用下破壞施工范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)，形成一定比例漿液，進(jìn)行有規(guī)律的重新排列，在漿液凝固后形成復(fù)合團(tuán)結(jié)體，從而提高結(jié)構(gòu)的承載力，降低滲流[3]。本工程采用三管噴射裝置進(jìn)行高壓噴射灌漿施工。

3.1 加固機(jī)理

3.1.1 高壓噴射灌漿加固機(jī)理

三管噴射裝置（能輸送水、氣、漿三個通道的噴射裝置）進(jìn)行高壓噴射灌漿施工時，能夠從噴射管噴出水壓力35～40 MPa、水量70 L/min 超高壓水流及氣壓0.5～0.7 MPa、氣量60 L/min 的一般壓力圓狀氣流，將施工范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞，再由漿液通道噴射管噴射進(jìn)漿密度1.6 g/cm3、灌漿壓力0.6～1 MPa、噴射漿量60 L/min、擺動速度6 r/min、擺動角度30°的水泥漿液進(jìn)行替換充填。（上述參數(shù)是結(jié)合本工程實際情況的實際施工參數(shù)）

3.1.2 帷幕灌漿加固機(jī)理

帷幕灌漿是按照實際工程情況提前布置一排或多排灌漿孔，然后進(jìn)行漿液灌注施工填充水壩巖層縫隙，使之形成一道連續(xù)的阻水幕，增加水庫壩基強(qiáng)分化層的防滲效果，使之符合水庫除險加固要求。結(jié)合本工程特點(diǎn)采用布置一排灌漿孔，孔距設(shè)置為2 m。

3.2 灌漿設(shè)計

3.2.1 高壓噴射灌漿防滲墻施工厚度

根據(jù)工程特點(diǎn)在水壩947 m 高程處設(shè)置前壩腳單排灌漿孔，壩基位置的防滲墻施工穿過透水層后應(yīng)再施工0.5 m，直至深入基巖層。經(jīng)工程設(shè)計分析，高壓噴射灌漿孔的最大深度為15.5 m，壩基位置灌漿孔的最大深度為9.5 m。

高壓噴射灌漿防滲墻厚度計算公式依據(jù)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DLT5200-2004）[4]要求得出：

式中：δ——代表高壓噴射灌漿防滲墻厚度，cm；

H——代表大壩上、下游壓力水位差，m；

L——代表高壓噴射灌漿防滲墻允許的水力坡降。

大壩上、下游壓力水位差H 經(jīng)計算分析數(shù)值為17.50 m，根據(jù)《規(guī)范》中高壓噴射灌漿安全系數(shù)取值范圍為3～5，可以確定高壓噴射灌漿防滲墻允許的水力坡降L 取值范圍為200～400，最終結(jié)合本工程計算出高壓噴射灌漿防滲墻厚度δ 為20 cm，在進(jìn)行實際施工時高壓噴射灌漿防滲墻厚度在20 cm 以上，符合施工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

壩基砂礫石經(jīng)高壓噴射灌漿防滲墻施工后，實際坡降值為0.005，遠(yuǎn)小于工程要求的砂礫石允許坡降值（0.03），可以確保防滲施工后壩基滲透在可控范圍內(nèi)。

3.2.2 帷幕灌漿施工厚度

大壩壩基及壩肩的除險加固防滲施工結(jié)合本工程的施工條件，決定壩基及壩肩的帷幕灌漿施工采用預(yù)埋灌漿法進(jìn)行，帷幕灌漿厚度計算依據(jù)《能源部、水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院碾壓土石壩設(shè)計手冊》要求得出：

式中：T——代表帷幕灌漿施工厚度，m；

H——代表大壩上、下游壓力水位差，經(jīng)計算取值17.5 m；

β——代表通過帷幕的水頭衰減系數(shù)，取值0.7；

Iα——代表帷幕允許的水力坡降，取值18。

從公式（2）可以得出帷幕灌漿施工厚度T 應(yīng)大于等于0.68 m。本工程采用預(yù)埋灌漿法進(jìn)行帷幕灌漿施工，實際帷幕灌漿施工厚度T 為1.4 m，遠(yuǎn)大于理論帷幕灌漿施工厚度，符合工程施工要求。

3.2.3 壩體及壩基的滲流量分析

壩體及壩基的滲流量分析主要包括計算斷面的選擇、計算參數(shù)的確定、計算程序確認(rèn)及相應(yīng)計算結(jié)果。

計算斷面的選擇，根據(jù)工程特點(diǎn)選擇河床覆蓋層較深的斷面（樁號0+080）及壩岸邊坡覆蓋層較淺的斷面（樁號0+030）作為本工程滲流量分析的計算斷面。計算參數(shù)的確定，水壩壩體主要結(jié)構(gòu)土質(zhì)為含礫粉土，滲透系數(shù)取值5×10-4cm/s，水壩2009 年加固后壩體土質(zhì)為低液限黏土，滲透系數(shù)取值2×10-6cm/s，水壩基巖位置強(qiáng)風(fēng)化帶滲透系數(shù)取值3.2×10-4cm/s，高壓噴射灌漿防滲墻滲透系數(shù)取值1×10-8cm/s，帷幕灌漿防滲的滲透系數(shù)取值帷幕灌漿1×10-6cm/s。計算程度確認(rèn)，本工程壩體及壩基的滲流量計算分析選擇平面穩(wěn)定滲流計算程序STSE99（DOS 版）進(jìn)行計算，運(yùn)用此計算程序得出壩體及壩基的滲流量計算結(jié)果見表1。

從表1 顯示結(jié)果可以看出，水壩壩體及壩基經(jīng)此次除險加固后取得了良好效果，大壩的滲流面積大大減少。

表1 壩體及壩基的滲流量計算結(jié)果

3.2.4 灌漿孔距及布置方式

灌漿孔距合理布置是科學(xué)施工的關(guān)鍵，對工程質(zhì)量和施工造價將產(chǎn)生直接影響。本工程結(jié)合此水庫施工特點(diǎn)采用折線形擺噴的布置方式，灌漿孔隙之間的距離均在1.5 m，灌漿完成后對灌漿孔距及布置方式進(jìn)行試驗分析，確定布置合理，符合水壩除險加固設(shè)計要求。

4 除險加固施工中的注意事項

第一，施工前應(yīng)進(jìn)行場地平整，提前挖好排漿溝、鉆機(jī)定位準(zhǔn)確并放置水平，鉆桿與地面垂直，進(jìn)行鉆孔施工時，鉆孔傾斜率要小于0.3%。進(jìn)行鉆孔定位施工后，灌漿設(shè)計孔位和實際孔位施工偏差要小于5 cm。

第二，進(jìn)行灌漿施工時要提前配置好水泥漿液，合理控制水灰比及漿液比重。灌漿施工時嚴(yán)格按照施工流程進(jìn)行。

第三，本工程采用三管噴射裝置進(jìn)行高壓噴射灌漿施工，進(jìn)行噴射灌漿施工時要在地面進(jìn)行水、氣試噴，然后轉(zhuǎn)移至工程設(shè)計深度，高壓噴射時軸線方向呈折線形。

第四，在進(jìn)行高壓噴射灌漿施工時主要分兩步進(jìn)行施工，通過對本工程實際灌漿施工發(fā)現(xiàn)，在利用噴射管噴出超高壓水流及氣一般壓力圓狀氣流將施工范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞時（第一工序），當(dāng)施工強(qiáng)度不夠，不能順利破壞土體結(jié)構(gòu)，水壩墻體具有不均勻特點(diǎn)、漿液通道噴射管噴射水泥漿液穿透能力較弱（第二工序），這時易導(dǎo)致灌漿密度小造成防滲效果較差，甚至出現(xiàn)灌漿孔洞。所以在實際施工時，要保證第一工序的施工質(zhì)量，待第一工序達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行第二工序的噴漿施工，這種施工方式能保證防滲效果。灌漿施工完成后開展注水試驗，共試驗6 段，滲流系數(shù)最大值為8.2×10-6cm/s，滲流系數(shù)最小值為6.6×10-7cm/s，均符合工程質(zhì)量要求。

5 結(jié)語

結(jié)合本水庫實際工程特點(diǎn)，進(jìn)行除險加固施工時，采用高壓噴射灌漿和帷幕灌漿綜合處理技術(shù)進(jìn)行水壩壩基的沙礫石層和強(qiáng)風(fēng)化層的防滲施工時，對原水庫擾動較小，施工方式較簡便，能明顯降低壩基滲漏，增加水庫庫容，延長水壩的使用壽命和服務(wù)安全性。此除險加固方式可以為類似工程提供參考價值。